基于Modbus雙層網絡的智能交通系統設計

謝璐陽 趙奉奎 朱少華 夏兆君

摘要：本文設計了一種智能交通系統，該系統采用MODBUS TCP和MODBUS RTU雙層通訊網絡，兩層通訊網絡中間由網關實現不同通訊協議的轉換。該系統能夠實現交通信號燈、交通信息顯示屏和監控攝像頭等智能交通設備與控制終端的通信，并在控制端時時監控路面交通狀況，對智能交通設備進行控制。同時，該智能交通系統可綜合已采集的路面信息為司機和乘客規劃最節約能源、最省時、最合理出行方案。智能交通系統為交通擁堵問題的解決提供了一種解決思路，智能交通系統的應用也將極大的優化城市交通管理模式。

關鍵詞：智能交通;雙層網絡通訊;ModbusTCP/RTU;交通信號燈;遠程控制

0 引言

全球各城市都面臨著嚴峻的交通挑戰，交通擁堵導致交通運輸效率低下，尾氣排放增多。在全球信息化、網絡化背景下，交通系統急需結合新興技術改變現狀。智能交通系統有效地融合先進的信息技術、通訊技術、傳感技術、控制技術及計算機技術等，為交通系統的實時、準確及高效率提供了保障。智能交通系統的使用，使得交通領域的管理更加科學、便利，促進了交通領域的更新和發展。

智能交通系統是一種典型的物聯網，包括了射頻技術、互聯網技術以及遙感技術。賈文婷等通過建立檢測管理控制中心、區域交通參數采集器與各交叉口CPLD三者之間的通訊網絡。將Modbus通訊協議應用在交通信號系統中，為道路交通提供一個順暢、快捷的運行環境。鄒皖峰，利用工業以太網，建立多層地下交通樞紐設備監控系統，有效的降低交通系統的能耗，提高公共交通系統的安全性。由于物聯網的傳感網RFID快速發展，交通行業信息化已從簡單的電子號碼、ETC等應用向建立智能平臺等的智能化解決方案轉變。例如，新一代信息發布系統、交通擁堵收費管理系統和停車泊位管理信息系統的發明等。

本文基于Modbus TCP與Modbus RTU通訊協議的雙層通訊網絡，提出了一種通信可靠的智能交通系統方案，連接交通設備和服務器，保證通信的可靠性。

1 智能交通系統的整體結構設計

智能交通系統需要建立控制端、信號燈和傳感器等設備的信息通道。通過控制端對智能交通設備，例如信號燈等發送控制信號，使設備完成相關操作;將信號燈的狀態信息、傳感器采集的信息實時傳輸至控制端。從而實現控制端對智能交通設備的操控與監控。

智能交通系統主要有三部分組成，即信息采集顯示系統，數據傳輸系統和控制系統。信息采集顯示系統進行傳感器數據的采集，主要由監控攝像頭進行視頻采集，并由交通信息顯示屏和信號燈顯示交通信息，控制交通流。數據傳輸系統實現控制信號和采集信號的傳輸、數據中繼和轉換。控制系統對通過數據傳輸系統接收到的信息，如監控攝像頭采集到的視頻信息進行分析處理，并生成控制和調度指令，如點亮交通信號燈、進行語音提示報警等，由數據傳輸系統將控制指令傳輸至信息采集顯示系統。

2 基于MODBUs雙層網絡的智能交通系統實施方案

基于MODBUS雙層網絡的智能交通系統的系統結構如圖1所示。

第一層網絡在以太網通訊環境下，實現控制端與路由器，路由器與網關間通訊。Modbus TCP結合了以太網物理網絡和網絡標準TCP/IP，以及以Modbus作為應用協議標準的數據表示方法，支持以太網協議，兼具傳輸速度高等優點，應用于上層網絡中，實現上位機與路由器通訊。

第二層網絡是網關與智能交通設備間的通訊。上層網絡以以太網作為傳輸介質，下層網絡以工業總線作為傳輸介質。目前，常見的串行通信方式主要有RS485和RS232總線標準。但由于RS232通信總線傳輸數據速率低、距離短且易受外部環境的干擾，可靠性不高。而RS485總線通信模式具有數據傳輸速率高、距離遠且結構簡單、價格低廉等優點，被廣泛用于工業控制，因此選用RS485作為第二層網絡的傳輸總線。第二層網絡采用ModbusRTU通訊協議，Modbus RTU現被廣泛應用于現場總線通訊。雖然對輸入的數據進行CRC校驗，增加了傳輸時間，但保證了傳輸的可靠性及相對穩定性。結合雙層通訊協議能夠使TCP/IP與RTU協議的缺點互補，更加突出兩項協議的優點。

智能交通系統通過雙層網絡實現對智能交通設備的監控。信號燈、照明燈和監控攝像頭等采集的信息，采用MODBUS RTU協議通過RS485總線傳輸至網關。網關將數據由MODBUS RTU協議轉換成MODBUS TCP協議，由以太網傳輸至路由器，控制端通過路由器接收到檢測的視頻等信號。控制端對采集到的數據進行分析處理后，發出控制指令，傳輸至路由器，控制指令繼而根據MODBUS TCP協議傳輸至網關。網關實現MODBUS TCP協議向MODBUSRTU協議的轉換，并經RS485總線傳輸至信號燈、照明設備和交通信息顯示屏。

3通訊協議轉換

3.1TCP與RTU網關協議的轉換

由于控制端與路由器。路由器與網關之間的通訊環境為以太網，其通訊協議為Modbus TCP/IP：而RS網關與智能交通設備間的通訊環境為RS485總線，其通訊協議為Modbus RTU，兩種報文的格式不盡相同，因此無法直接進行控制端與智能交通設備之間的通訊。

Modbus RTU的報文為八位二進制。其具體格式見表1，TCP協議的報文格式見表2.

因此，若想進行兩種協議下的通訊，需對其進行相應的處理。例如，控制端對智能交通設備發出指令過程：首先對TCP報文的前六位包頭去掉，在數據末尾加上兩字結的CRC校驗碼。并進行數據的打包與發送。

3.2 Modbus RTU協議接收

在第二層網絡中，網關與智能交通設備間的通訊為Modbus RTU協議。Modbus協議采用主從工作方式，通信采用命令/應答方式，每一種命令幀都對應一個應答幀，命令幀由主機發出，被尋址的從機收到命令后返回相應的應答幀。在控制端發送指令后，網關將上層網絡傳輸的TCP/IP協議轉換為RTU報文，并通過RS485傳輸至智能交通設備。同樣，傳感器等智能交通設備也將采集到的數據以Modbus RTU協議格式傳輸至網關，經網關轉換成TCP/IP格式后傳輸至控制端。基于上述通訊模式，網關與下層網絡中的智能交通設備不斷接收及發送大量Modbus RTU報文。

在數據傳輸工程中，由于環境等不可避免因素，傳輸過程中誤碼不可避免。為保證Modbus RTU協議收發的有效性，下層網絡通訊的RTU報文中的CRC校驗碼可對收發的數據進行校驗。從而判斷數據收發的有效性，即上位機能夠正確，完整的發送數據，并被下位機準確的接收。

在MODBUS RTU方式下。由于沒有規定開始和結束標記，所以協議規定每兩個字節之間發送或者接收的時間間隔不能超過3.5倍字符傳輸時間。如果超過傳輸時間，就認為一幀數據已經接收，新的一幀數據傳輸開始，RTU方式下兩個字節間傳輸間隔有時間要求。所以，采用計時器方式，設置其在每一次開始接受數據時重置。通常情況下，兩個字節間隔為1.5幀，因此可設置當時間大于3幀時，表示數據接收完成。

4 結束語

智能交通系統提高了交通管理的效率與質量，擴大了智能交通系統的應用范圍。提高了交通管理的效率。本文介紹的Modbus TCP/IP與ModbusRTU建立的雙層通訊網絡為智能交通系統的普及奠定了技術基礎。智能交通系統的應用廣泛，商業車輛運營系統、信息管理系統、公共交通運輸管理系統以及車聯網的多個分支逐步誕生，推動智能交通網絡趨于完善化。完善的智能交通系統可全面有效的改善交通情況，提升交通管理水平。大力推行、發展智能交通系統是未來交通的主要發展方向。